EXPERIENCIA DE MODIFICACIÓN DE CEMENTO ASFÁLTICO CON POLÍMEROS SBS EN OBRA

Transcripción

1 EXPERIENCIA DE MODIFICACIÓN DE CEMENTO ASFÁLTICO CON POLÍMEROS SBS EN OBRA Carlos Salcedo de la Vega Lima, Noviembre de 2008 FACULTAD DE INGENIERÍA Maestría en Ingeniería Civil con Mención en Ingeniería Vial Salcedo, C. (2008). Experiencia de modificación de cemento asfáltico con polímeros SBS en obra. Tesis de Master en Ingeniería Civil con Mención en Ingeniería Vial. Universidad de Piura. Facultad de Ingeniería. Lima, Perú.

2 EXPERIENCIA DE MODIFICACIÓN DE CEMENTO ASFÁLTICO CON POLÍMEROS SBS EN OBRA Esta obra está bajo una licencia Creative Commons Atribución- NoComercial-SinDerivadas 2.5 Perú Repositorio institucional PIRHUA Universidad de Piura 2

3 1 UNIVERSIDAD DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA MASTER EN INGENIERIA CIVIL Experiencia de Modificación de Cemento Asfáltico con Polímeros SBS en Obra Tesis para optar el Grado de Máster en Ingeniería Civil Carlos Miguel Salcedo de la Vega Asesor: Ing. Germán Gallardo Lima, Noviembre del 2008

4 A mi esposa y a nuestras hijas 2

5 3 Prologo Esta plenamente comprobado que los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias, tanto mecánicas como de adhesión, en sus aplicaciones en obras viales, bajo distintas condiciones climáticas y de transito. Sin embargo, la necesidad de optimizar las inversiones, las cada vez mayores exigencias de volumen y magnitud de cargas del tráfico que experimentan nuestros caminos, así como el incremento en la presión de inflado de los neumáticos, hacen que las propiedades de estos asfaltos convencionales resulten insuficientes y no satisfagan, en muchos casos, las expectativas de cumplir un determinado periodo de servicio. La utilización de asfaltos cuyas propiedades han sido modificadas por la adición de polímeros evidencia una mejora importante en las propiedades y/o características mecánicas de resistencia a las deformaciones presentadas por factores climatológicos y de transito (ahuellamiento y fatiga respectivamente) del asfalto convencional que el presente trabajo pretende de resaltar. En nuestro país, el costo adicional del m3 de mezcla asfáltica en caliente con asfalto modificado con polímeros SBS respecto del preparado con asfalto convencional es del orden de % y se estima que la utilización de asfaltos modificados con polímeros SBS en la preparación de mezclas asfálticas para pavimentación, elevan la vida útil del pavimento de 2 a 3 veces. En este orden de ideas, la presente tesis de grado permite poner a disposición de los interesados, la experiencia adquirida por el autor, en la modificación de cemento asfáltico con polímeros SBS in situ y su utilización en la producción y colocación de mezcla asfáltica en caliente en la ejecución del proyecto Mantenimiento periódico de la carretera Sullana-Aguas Verdes, en una longitud de 110 km.

6 4 Resumen 1. Planteamiento del problema El sitio donde se desarrolla el proyecto Mantenimiento periódico de la carretera Sullana-Aguas Verdes tiene un clima predominantemente cálido, con temperaturas ambiente promedio y máxima anual del orden de 24 y 32 o C, respectivamente. En estas condiciones, en la hora pico el pavimento alcanza temperaturas del orden de o C, en tanto que en su superficie pude medirse conservadoramente 5 o C mas que la media del pavimento. Si consideramos que el cemento asfáltico convencional PEN 60/70 comúnmente utilizado en la zona para la preparación de mezclas asfálticas en caliente tiene un punto de ablandamiento de 50 o C aprox., resulta fácil predecir que una mezcla asfáltica confeccionada con este asfalto es altamente susceptible al ahuellamiento, lo cual es uno de los principales problemas que puede verificarse en los pavimentos asfálticos de la zona. Otro problema adicional que pudo verificarse durante el bacheo superficial ejecutado en obra, fue la clara presencia de fisuramiento por fatiga, identificada como una red de fisuras menores a 1 mm en la cara inferior de la capa de carpeta asfáltica retirada. 2. Objetivos Modificar el asfalto convencional mediante la adición de polímeros SBS con el fin de mejorar sus características mecánicas de resistencia a las deformaciones presentadas por factores climatológicos y de transito (ahuellamiento y fatiga respectivamente). 3. Hipótesis La modificación de cemento asfáltico con polímeros SBS, permitirá contar con un asfalto más viscoso a las temperaturas a que estará sometido el pavimento:47 a 52 o C, reduciéndose de esta manera el riesgo a las deformaciones permanentes o ahuellamiento y a la vez con un asfalto mas elástico, mejorando notablemente su comportamiento a la fatiga.

7 5 4. Breve Referencia del Marco Teórico Una manera indirecta de medir la mejora de la resistencia a las deformaciones permanentes o ahuellamiento de un asfalto por factores climatológicos es evaluando su punto de ablandamiento (aun cuando el ensayo mas adecuado es el denominado wheel tracking test). De igual manera, la mejora del comportamiento a la fatiga de un asfalto se puede inferir mediante la evaluación de su elasticidad, medida con el ensayo de recuperación elástica por torsión. 5. Conclusiones La modificación del cemento asfáltico con polímeros SBS fabricado en obra ha permitido contar con un ligante de mejores características de resistencia a las deformaciones permanentes y mejor comportamiento a loa fatiga. Es así que el asfalto modificado producido en obra, presentó valores promedio de punto de ablandamiento de 70 o C y de recuperación elástica torsional de 80%, en tanto que en un asfalto convencional PEN 60/70, que es el comúnmente utilizado en la zona para la preparación de mezcla asfáltica, estos parámetros solo alcanzan valores de 50 o C y 8-13% respectivamente. 6. Bibliografía básica Comisión permanente del asfalto de la republica Argentina. 28 ava reunión del asfalto. Buenos Aires, Argentina, J. Agnusdei, O. Losco. Durabilidad de mezclas asfálticas preparadas con ligante modificado con polímeros. Comisión de investigaciones científicas. Lemit. Buenos Aires, Argentina. Curso de Tecnología de Pavimentos, Ing. Gerardo Botasso.

8 6 Índice Introducción Capitulo 1: Antecedentes Capitulo 2: Requerimientos de calidad del proyecto 2.1. Requerimientos de calidad para el asfalto modificado con polímeros SBS 2.2. Requerimientos de calidad para la mezcla asfáltica en caliente con asfalto modificado con polímeros SBS Capitulo 3: Modificación del cemento asfáltico en obra 3.1. Objeto de la modificación 3.2. Equipo de laboratorio para la selección y dosificación del polímero SBS 3.3. Selección y dosificación del polímero SBS en laboratorio Preparación de muestras en laboratorio Selección del asfalto base y del polímero SBS 3.4. Equipo para la modificación a escala industrial 3.5. Proceso de modificación a escala industrial 3.6. Control de calidad del asfalto modificado 3.7. Ensayos de laboratorio realizados y su normatividad Capitulo 4: Diseño de mezcla asfáltica en caliente 4.1. Temperatura de mezclado y de compactación Características de la mezcla asfáltica en caliente 4.3. Control de calidad 4.4. Costo de producción: Mezcla asfáltica convencional VS Mezcla asfáltica modificada con polímeros SBS Capitulo 5: Fabricación y colocación de la mezcla asfáltica en caliente 5.1. Fabricación de la mezcla 5.2. Transporte de la mezcla 5.3. Colocación de la mezcla 5.4. Compactación de la mezcla 5.5. Control de calidad de la mezcla asfáltica producida 5.6. Control de calidad del producto terminado Conclusiones

9 7 Introducción Esta plenamente comprobado que los asfaltos convencionales poseen propiedades mecánicas satisfactorias en sus aplicaciones en obras viales, bajo distintas condiciones climáticas y de transito. Sin embargo en las condiciones climáticas extremas en que se desarrolla el proyecto Mantenimiento periódico de la carretera Sullana - Aguas Verdes, donde puede medirse en el pavimento, temperaturas del orden de o C en la hora pico, la utilización de cemento asfáltico PEN 60/70 con un punto de ablandamiento de 50 o C aprox., permite predecir una alta susceptibilidad al ahuellamiento o deformaciones permanentes, lo cual es uno de los principales problemas que puede verificarse en los pavimentos asfálticos de la zona. Otro problema que pudo verificarse en el pavimento del proyecto y puede aun verificarse en los pavimentos asfálticos de la zona,es la clara presencia de fisuramiento por fatiga, identificado como una red de fisuras menores a 1 mm en la superficie del pavimento, así como en la cara inferior de bloques de carpeta asfáltica que se retiren. La solución planteada por el proyecto de mantenimiento periódico de utilizar asfalto modificado con polímeros SBS para mejorar las características mecánicas de resistencia a las deformaciones permanentes ocasionadas por factores climatológicos y de transito (ahuellamiento y fatiga respectivamente), para la producción de mezcla asfáltica en caliente a usarse en la recapa de 4 cm, es el tema que esta tesis describe y analiza. En el presente trabajo se describen en principio las exigencias de calidad especificadas en el proyecto para el cemento asfáltico modificado con polímeros SBS así como para la mezcla asfáltica en caliente a producirse con este asfalto. Adicionalmente se describe el proceso de modificación del asfalto base a escala de laboratorio y a escala industrial en obra, poniendo especial énfasis en el equipo de laboratorio requerido, en la metodología de selección y dosificación del polímero SBS, en el equipo requerido para la modificación a escala industrial, detallándose en todos los casos los tiempos y temperaturas a controlarse. Se termina proporcionando a manera de resumen, el valor promedio de las características del asfalto modificado con polímeros SBS producido en 103 bachadas de 7,500 galones realizados a escala industrial y su control de calidad, detallándose los ensayos de laboratorio realizados y su normatividad. En lo relacionado al diseño de mezcla asfáltica en caliente con el asfalto modificado producido en obra, se analizan diferentes criterios para definir las temperaturas óptimas

10 8 de mezclado y compactación para el diseño de mezcla en laboratorio y se describe el ajuste y selección de estas temperaturas para la preparación y colocación de mezcla asfáltica a escala industrial. Se analiza también el criterio utilizado para seleccionar el huso granulométrico empleado y se proporciona la fórmula de trabajo establecida para la producción de mezcla en planta. Se termina proporcionando a manera de resumen el valor promedio de las propiedades medidas y calculadas del diseño Marshall de 103 bachadas de 7,500 galones de asfalto modificado con polímeros SBS producidos a escala industrial. Finalmente se describe el equipo empleado en el proceso de producción y colocación de la mezcla asfáltica en caliente, poniendo especial énfasis en la compactación de la mezcla asfáltica que resulta critica por la utilización de agregados 100% triturados y por el espesor reducido de la recapa a colocarse. Se describe adicionalmente el proceso de control de calidad de la mezcla asfáltica producida y del producto terminado según lo especificado en el proyecto. El asfalto modificado producido en obra, tal como puede apreciarse en el resumen de 103 corridas de ensayos reportados, correspondiente a a igual numero de bachadas producidas; presenta valores promedio de punto de ablandamiento de 70 o C y de recuperación elástica torsional de 80%. Si tenemos en cuenta que en un asfalto convencional PEN 60/70, comúnmente utilizado en la zona para la preparación de mezcla asfáltica, estos parámetros solo alcanzan valores de 50 o C y 8-13% respectivamente, podremos concluir que el ligante producido presenta mejores características de resistencia a las deformaciones permanentes y mejor comportamiento a la fatiga. En síntesis, el presente trabajo tiene por finalidad poner a disposición de los interesados la experiencia adquirida en la modificación de cemento asfáltico con polímeros SBS in situ y su utilización en la producción y colocación de mezcla asfáltica en caliente en la ejecución del proyecto Mantenimiento periódico de la carretera Sullana-Aguas Verdes.

11 9 Capitulo 1 Antecedentes Esta plenamente comprobado que los asfaltos convencionales poseen propiedades satisfactorias, tanto mecánicas como de adhesión, en sus aplicaciones en obras viales, bajo distintas condiciones climáticas y de transito. Sin embargo, la necesidad de optimizar las inversiones, las cada vez mayores exigencias de volumen y magnitud de cargas del tráfico que experimentan nuestros caminos, así como el incremento en la presión de inflado de los neumáticos, hacen que las propiedades de estos asfaltos convencionales resulten insuficientes y no satisfagan, en muchos casos, las expectativas de cumplir un determinado periodo de servicio. La utilización de asfaltos cuyas propiedades han sido modificadas por la adición de polímeros evidencian una mejora en sus características mecánicas de resistencia a las deformaciones presentadas por factores climatológicos y de transito (ahuellamiento y fatiga respectivamente), respecto del asfalto convencional que el presente trabajo trata de resaltar. El costo adicional de un asfalto modificado respecto del convencional es del orden de % en nuestro país y los especialistas estiman que su uso en la preparación de mezclas asfálticas para pavimentación, elevan la vida útil del pavimento de 2 a 3 veces. El efecto principal de añadir polímeros a los asfaltos es mejorar la relación viscosidadtemperatura, sobre todo en el rango de temperaturas de servicio de las mezclas asfálticas, permitiendo mejorar el comportamiento del asfalto tanto a bajas como a altas temperaturas. Otras propiedades que en el asfalto modificado mejoran, respecto del convencional son: a) Mayor cohesión, b) Mayor respuesta elástica, c) Mayor resistencia a la acción del agua, d) Mayor resistencia al envejecimiento, e) Mayor intervalo de temperatura de desempeño (diferencia entre el punto de ablandamiento y Fraass). Los asfaltos modificados con polímeros están constituidos por dos fases, una formada por pequeñas partículas de polímero hinchado y la otra por asfalto. En las composiciones con baja concentración de polímeros como la utilizada, existe una matriz

12 10 continua de asfalto en la que se encuentra disperso el polímero. Esta micro morfología bifásica y las interacciones existentes entre las moléculas del polímero y los componentes del asfalto parecen ser la causa del cambio de propiedades que experimentan los asfaltos modificados con polímeros. El polímero SBS (estireno-butadieno-estireno) o caucho termoplástico es el elastómero (al estirarlos vuelven a su posición original) más utilizado para la modificación de asfaltos, debido a que presenta el mejor comportamiento durante la vida útil de la mezcla asfáltica.

13 11 Capitulo 2 Requerimientos de calidad del proyecto 2.1. Requerimientos de calidad para el asfalto modificado con polímeros SBS En la siguiente Tabla se indican los requerimientos de calidad del proyecto para el cemento asfáltico modificado con polímeros SBS a utilizarse: Tabla Nº Características del ligante modificado con polímeros SBS ENSAYO UND NORMA MIN MAX Penetración a 25 o C 0.1 mm MTC E Punto de ablandamiento-anillo y bola o C MTC E Punto de inflamación o C MTC E Estabilidad de almacenamiento (*) Diferencia del punto de ablandamiento o C MTC E Diferencia de penetración 0.1 mm MTC E Ductilidad a 5 o C cm MTC E Recuperación elástica torsional a 25 o C % NLT-329/ Espuma - - No No Residuo después de efecto de calor y aire Penetración a 25 o C, 100 g, 5 seg % pen.orig. MTC E Variación del peso % residual Ductilidad a 5 o C (5 cm/min) cm MTC E Variación del punto de ablandamiento o C MTC E (* ) No se exigirá este requisito cuando los elementos de transporte y almacenamiento están provistos de un sistema de homogenización adecuado. Debe presentar un aspecto homogéneo, sin espuma ni agua Requerimientos de calidad para la mezcla asfáltica en caliente con asfalto modificado con polímeros SBS

14 12 En la siguiente tabla se proporcionan los parámetros o criterios de diseño del proyecto, que debe cumplir la mezcla asfáltica en caliente con asfalto modificado con polímeros SBS a utilizarse: Tabla Nº Parámetros o criterios de diseño para la mezcla asfáltica en caliente con polímeros SBS ENSAYOS NORMA UND LIMITE Min. Max. Estabilidad Marshall -75 golpes/cara MTC E504 kgf Fluencia Marshall mm Porcentaje de vacíos Marshall MTC E505 % 4 - Relación bitumen/vacíos % Relación filler/bitumen Desgaste Cantabro MTC E515 % - 20 Desgaste Cantabro envejecido (1) % - 30 Resistencia a la tracción por AASHTOcompresión diametral 283 kpa Estabilidad retenida % 75 - Variación teórica de bitumen % (1) Envejecimiento de la muestra: 7 días (168 horas) a 60 o C Adicionalmente el proyecto exige para los agregados a utilizarse en la mezcla asfáltica en caliente que: a) La mezcla de agregados tenga un mínimo de vacíos del agregado mineral de: Tabla Nº VMA TAMIZ mínimo 3/8" 16.2 N o b) Los agregados sean triturados y consistan de una mezcla de agregados gruesos (retenidos en malla No 4), agregados finos (pasantes malla No 4) y filler mineral (cemento Pórtland o cal hidratada). c) La faja granulométrica que se adopte para el diseño de la mezcla asfáltica cumpla con cualquiera de los husos granulométricos siguientes (utilizando de preferencia las No 2 y 3): Tabla Nº Huso granulométrico para mezcla asfáltica en caliente

15 13 TAMIZ HUSO 1 HUSO 2 HUSO 3 HUSO DE ASTM mm Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo TRABAJO 3/8" % No % No % No % No % No % No % ABRASION LOS ANGELES d) Los agregados minerales grueso y fino cumplan con los siguientes requerimientos de calidad: Tabla Nº Agregado grueso ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO Durabilidad (al sulfato de sodio) MTC E % max Durabilidad (al sulfato de magnesio) 15% max Abrasión Los Ángeles MTC E 207 Ver cuadro de husos granulométricos Partículas Chatas y Alargadas MTC E % max Caras Fracturadas MTC E 210 (1) 95/90 Absorción MTC E 206 1% max Sales solubles totales MTC E % max Adherencia MTC E 519 `+ 95% min (1) Se complementa la norma MTC E210 en el sentido que se consideran caras fracturadas también a aquellos agregados que presenten aristas vivas y angulosas y no hayan sido obtenidas mediante fractura en forma mecánica. Tabla Nº Agregado fino ENSAYO NORMA REQUERIMIENTO Equivalente de arena MTC E % min Adhesividad (Riedel Weber) MTC E 220 4% min Índice de plasticidad (malla No 200) MTC E 111 4% max Índice de plasticidad (malla No 40) MTC E 111 NP Sales solubles totales MTC E % max Absorción MTC E 205 1% max Tabla Nº Filler Mineral

16 14 MALLA % PASA MINIMO # # #

17 15 Capitulo 3 Modificación del cemento asfáltico en obra El contratista modificó en obra cemento asfáltico convencional PEN 85/100 con polímeros SBS para su utilización en la fabricación de mezcla asfáltica en caliente, para la construcción de una recapa de 3.5 y 4.0 cm de espesor sobre la carpeta existente, en cinco tramos que suman un total de 110 km, de la carretera Sullana- Aguas Verdes- departamentos de Piura y Tumbes, como solución de mantenimiento periódico previsto en el proyecto Objeto de la modificación Contar con un asfalto más viscoso para las condiciones de temperaturas a las que estará sometido el pavimento en el proyecto a fin de reducir el riesgo a las deformaciones permanentes o ahuellamiento, Mejorar el comportamiento a la fatiga del asfalto. El polímero incrementa la elasticidad del asfalto y por ende su comportamiento resciliente, Aumentar la adhesividad árido-ligante, Aumentar la cohesión interna de la mezcla asfáltica, Aumentar la resistencia al envejecimiento del asfalto 3.2. Equipo de laboratorio utilizado para la selección y dosificación del polímero SBS Molino coloidal modelo LAB CVERM-50-Básico.- equipo piloto de laboratorio utilizado para la modificación del asfalto base y para la selección y dosificación del polímero SBS a utilizarse. Capacidad del batch: 6 litros, roto-estator con dientes gruesos para betún-polímero, motor eléctrico trifásico de 3hp y 2,850 rpm, regulador de velocidad de 1,000 a 4,000 rpm, dispositivo de recirculación y cañerías con aislamiento térmico.

18 16 Gráfico Nº MOLINO COLOIDAL DE LABORATORIO Viscosímetro rotacional Brookfield.- utilizado para controlar la consistencia del asfalto base y para determinar las viscosidades y temperaturas de mezclado y compactación del asfalto modificado para el diseño de mezcla en laboratorio.. Proporciona la viscosidad aparente del asfalto: relación entre el esfuerzo aplicado y la velocidad de cizallamiento, midiendo la resistencia que opone el fluido al movimiento de un rotor. Se utiliza en un rango de 38 a 260 o C. Modelo DV-II+ PRO. Gráfico Nº VISCOSIMETRO BROOKFIELD Penetrómetro standard.- utilizado para determinar la consistencia del asfalto base y modificado. Cuenta con un dial de lectura de 10 cm de diámetro y divisiones de 1/10 mm, un juego de pesas de 50 y 100 gr, agujas, recipientes y cronometro. Modelo ALEIN

19 17 Gráfico Nº PENETROMETRO STANDARD Aparato anillo y esfera.- utilizado para determinar el punto de ablandamiento del asfalto base y modificado. Cuenta con un vaso de vidrio, 2 bolas de ensayo, 2 moldes de anillos A y B, 2 guías de centrado, soporte bastidor, termómetros y una estufa eléctrica. Gráfico Nº APARATO DE ANILLO Y BOLA PARA ENSAYO DE PUNTO DE ABLANDAMIENTO Aparato para ensayo de punto de inflamación.- utilizado para la determinación del punto de inflamación del asfalto base y modificado. El punto de inflamación es la temperatura a la cual puede calentarse el asfalto

20 18 sin que se produzca la inflamación de los vapores liberados en presencia de llama libre. Gráfico Nº VASO ABIERTO CLEVELAND PARA DETERMINACION DEL PUNTO DE INFLAMACION Ductilómetro.- utilizado para determinar la ductilidad del asfalto base y modificado a 25 o C y 5 o C respectivamente. Consta de una tina de acero inoxidable provisto de un carro de tracción que se acciona mediante un motor eléctrico y se desliza a través de unas guías dentro del baño. Temperatura de trabajo en un rango de 2 a 30 o C. Gráfico Nº DUCTILOMETRO Recuperación elástica por torsión.- utilizado para determinar la recuperación elástica por torsión de los asfaltos modificados, según la norma

21 19 española NLT Consta de una escala analógica de metal graduada al grado (tipo semicírculo), cubetas de bronce con tuercas de ajuste tipo patas de araña, agujas y émbolos. Gráfico Nº Gráfico Nº EQUIPO PARA ENSAYO DE RECUPERACION ELASTICA POR TORSION SEGÚN NORMA ESPAÑOLA NLT ENSAYO DE RECUPERACION ELASTICA POR TORSION Equipo para baño de calentamiento (baño Maria).- utilizado para calentar a 25 o C las muestras de asfalto para los ensayos de penetración, ductilidad y recuperación elástica torsional. Es un recipiente de acero inoxidable, con tapa, soporte inferior a 1 cm de altura para las muestras de ensayo de penetración, recuperación elástica torsional, ductilidad, etc; y con un cabezal termostático de inmersión analógico con temperatura de trabajo de hasta 100 o C, potencia de calentamiento de 1.5 kw y controles de temperatura de 0.5 o C. Gráfico Nº EQUIPO PARA BAÑO DE CALENTAMIENTO O BAÑO MARIA Horno para ensayo de película delgada rotativa (RTFO).- utilizado para medir el efecto de calor y aire en muestras de asfalto a 163 o C, simulando las condiciones de endurecimiento que ocurre durante las operaciones normales

22 20 de una planta de asfalto en caliente. Cuenta con control termostático para mantener la temperatura a 163 o C o C. Los efectos de este procedimiento se determinan midiendo ciertas propiedades del asfalto antes y después del ensayo: penetración, punto de ablandamiento, ductilidad, peso. Gráfico Nº HORNO ROTATORIO PARA ENSAYO DEL EFECTO DE CALOR Y AIRE A 163 o C 3.3. Selección y dosificación del polímero SBS en laboratorio Preparación de muestras Las muestras se prepararon en el molino piloto de modificación, utilizando asfalto base PEN 85/100 de tres procedencias diferentes: refinería La Pampilla, refinería Conchan y refinería Talara y polímeros SBS en concentraciones de 3 a 4.5 %. de tres (3) marcas diferentes: LG 501 lineal, Taipol 3201 y KTR 401. Cada muestra fue de un (1) galón, que es la capacidad del equipo piloto de modificación de asfalto. El polímero debe incorporarse aproximadamente en 30 minutos, con el molino trabajando a una velocidad de 3,500 rpm y el asfalto base a una temperatura de 180 o C. Durante el proceso de molienda, dispersión y homogenización el asfalto debe mantenerse a 180 a 185 o C de temperatura. Se consideró concluida la dispersión después de aprox. 60 minutos, luego de verificar por simple inspección visual a contraluz, que una película estirada de asfalto modificado recién producido aparece homogénea y sin trazas de polímero parcialmente dispersado. Finalmente se corroboró la conclusión de la dispersión mediante ensayos de laboratorio para verificar el cumplimiento de las características especificadas en el proyecto. Existen métodos disponibles más sofisticados para verificar la dispersión del polímero en el asfalto como el de fluorecencia microscópica, que por cuestiones practicas y de economía no utilizamos.

23 21 Gráfico Nº Gráfico Nº INSPECCION VISUAL A CONTRA LUZ DE CULMINACION DE LA MODIFICACION MUESTRA HOMOGENEA SIN TRAZAS DE POLIMERO SIN MODIFICAR Se tuvo en cuenta como premisa que cada polímero tiene un tamaño de partícula de dispersión óptima para mejorar las propiedades reológicas del asfalto base, de modo que por encima de este tamaño el polímero solo actúa como filler, mientras que por debajo, pasa a estar muy solubilizado y solo aumenta la viscosidad del asfalto base sin mejorar su elasticidad y resistencia Selección del asfalto base y del polímero SBS Se evaluó cada producción o batch de asfalto modificado de laboratorio con los tres (3) ensayos básicos de caracterización siguientes: Penetración a 25 o C, Punto de Ablandamiento Recuperación elástica torsional a 25 o C, La frecuencia con que realizamos estos ensayos y la experiencia adquirida en los mismos, permitió verificar que toda muestra con resultados satisfactorios en estos tres ensayos básicos, tiene alta probabilidad de cumplir las demás exigencias de calidad especificadas. En los Gráficos N o 1, N o 2 y N o 3 siguientes, se indican los valores medidos de Penetración, Punto de Ablandamiento y Recuperación Elástica Torsional en muestras de asfalto modificado producidas en laboratorio con concentraciones de polímeros SBS de 3.0%, 3.5%, 4.0% y 4.5% y asfalto base PEN 85/100 de tres refinerías diferentes. Finalmente, mediante una sencilla evaluación técnico-económica se seleccionó el asfalto base PEN 85/100 de Talara y el polímero LG 501

24 22 linear de Taiwán con una concentración de 3.5 % del peso del asfalto, para la producción a escala industrial de asfalto modificado en la obra. Gráfico Nº POLIMERO LG 501

25 23 CON ASFALTO 85/100 DE TALARA GRAFICO N 01 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Penetración mm % Polímero vs Penetración % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Pto. Ablandam % Polímero vs Pto. Ablandamiento LG 501 TAIPOL KTR % Polímero SBS % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR RET % % Polimero vs RET % Polímero SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR 401

26 24 CON ASFALTO 85/100 DE CONCHAN GRAFICO N 02 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Penetración mm % Polímero vs Penetración % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Pto. Ablandam % Polímero vs Pto. Ablandamiento % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR RET % % Polimero vs RET % Polímero SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR 401

27 25 CON ASFALTO 85/100 DE REPSOL GRAFICO N 03 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Penetración mm % Polímero vs Penetración % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR Pto. Ablandam % Polímero vs Pto. Ablandamiento % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401 % SBS LG 501 TAIPOL 3201 KTR RET % % Polimero vs RET % Polímero SBS LG 501 TAIPOL KTR 401

28 26 Las características técnicas del asfalto base PEN 85/100 de Talara y del polímero LG 501 linear Taiwanés son las siguientes: Las características del asfalto modificado producido en laboratorio, con asfalto base PEN 85/100 de Talara y 3.5 % en peso de polímero LG 501 linear de Taiwán, son las siguientes :

29 27

30 28 Tabla Nº 3.3.1Características del asfalto modificado producido en laboratorio ENSAYOS UND NORMA MEDIDO ESPECIFIC Min. Max. Penetración (25 ºc, 100g, 5s) 0,1 mm MTC E Punto de ablandamiento ºC MTC E Punto de inflamación ºC MTC E Peso específico, 25 C/25 C gr/cc MTC E Estabilidad de almacenamiento(*) Diferencia punto de ablandamto. ºC MTC E Diferencia de penetración mm MTC E Viscosidad a 170 ºC (1) poise ASTM D Ductilidad a 5 ºC cm MTC E Recuperación elástica torsional % NLT - 329/ Espuma Visual NO NO NO RESIDUO DESPUES DEL EFECTO DE CALOR Y AIRE Penetración (25 ºc, 100g, 5s) % Pen.Orig. MTC E Variación del peso % Resid Ductilidad a 5 ºC (5cm/min) cm MTC E Variación punto de ablandamto. C MTC E (* ) No se exigirá este requisito cuando los elementos de transporte y almacenamiento están provistos de un sistema de homogenización adecuado. Debe presentar un aspecto homogéneo, sin espuma ni agua 3.4. Equipo para la modificación a escala industrial Se adquirió y monto en un espacio adyacente a la planta de asfalto, una planta para la modificación del asfálto de 1,600 gal/hr de capacidad, como la mostrada en las fotografías siguientes, que consta de: a. Un dispersor recirculador, con un molino coloidal de alto esfuerzo de corte con roto/estator de separación regulable y configuración definida (rotor estriado de 1,500 a 5,600 rpm, estator fijo estriado) para reducir el polímero a dimensiones coloidales y dispersarlo en el asfalto base. Modelo CHP-240 con motor eléctrico trifásico de 50 hp, 2,800 rpm, 440 voltios y 60 Hz. b. Un tanque de 16,000 galones para modificar el asfalto base, bipartido en dos compartimentos de 8,000 gal cada uno, con caldero de aceite térmico, bomba centrifuga, quemador de 400,000 kcal/hr, cinco alimentadores de polímeros por gravedad, cinco agitadores de paletas de doble nivel accionados por motores eléctricos de 11 kw cada uno, bomba

31 29 de asfalto de 3 pul de diámetro, serpentín de calefacción y aislamiento térmico. c. Un tanque de 8,000 galones para almacenar el asfalto base, con serpentín de calefacción y aislamiento térmico. d. Un tanque master de 10,000 galones para almacenar el asfalto modificado producido, con un caldero de aceite térmico, quemador de 400,000 kcal/hr, bomba centrifuga, serpentín de calefacción y aislamiento térmico. e. Cañerías, válvulas y conexiones. En las siguientes fotografías se muestran las principales instalaciones de la planta utilizada para modificar el asfalto base con polímeros SBS : Gráfico Nº Gráfico Nº MOLINO COLOIDAL Y BOMBA DE ASFALTO Gráfico Nº ALIMENTADORES DE POLIMERO POR GRAVEDAD TANQUES DE MODIFICACION Y ALMACENAMIENTO DE ASFALTO

32 Proceso de la modificación a escala industrial El proceso de modificación del asfalto base pueden resumirse en las siguientes etapas: ETAPA 1 : Comprobación de la calidad del asfalto base recibido mediante ensayos de viscosidad, penetración y punto de ablandamiento. ETAPA 2 : Calentamiento del asfalto base hasta 180 o C antes de iniciar la incorporación del polímero. ETAPA 3 : Incorporación, molienda, dispersión y homogenización del polímero en el asfalto base utilizando el molino coloidal. Proceso realizado a una temperatura de o C, durante aprox. 5 horas. ETAPA 4 : Control de calidad del asfalto modificado producido por inspección visual y verificación de su calidad mediante corrida de ensayos de laboratorio. Para la modificación del asfalto base a escala industrial en obra se siguieron los siguientes pasos: 1. Comprobación del asfalto base recibido y trasegado al tanque de modificación. El volumen de cada batch fue de 7,500 galones. Gráfico Nº TERMO-TANQUE TRASEGANDO ASFALTO BASE PEN A TANQUE DE MODIFICACION 2. Calentamiento del asfalto base hasta o C (máximo 190 o C). 3. Incorporación del polímero en la cantidad pre-establecida en el diseño, a una velocidad de kg/minuto e inicio de agitación.

33 31 Gráfico Nº INCORPORACION DEL POLIMERO A TANQUE MODIFICADOR 4. Molienda, dispersión y homogenización del polímero por recirculación de la mezcla asfalto-polímero con el molino coloidal durante aprox. 5 horas, manteniendo el asfalto entre o C en condiciones de agitación constante. 5. Inspección visual a contraluz de una película de asfalto modificado después de 5 horas de iniciado el proceso de modificacion, para verificar su progreso o culminación. No debe observarse trazas de polímeros sin dispersar. Gráfico Nº INSPECCION VISUAL A CONTRALUZ 6. Comprobación de culminación de proceso de modificación mediante ensayos de laboratorio, a fin de verificar cumplimiento de características especificadas.

34 32 Gráfico Nº Gráfico Nº VERIFICACION DE LA MODIFICACION MEDIANTE ENSAYO DE PENETRACION VERIFICACION DE LA MODIFICACION MEDIANTE MEDICION DE LA VISCOSIDAD 7. Almacenamiento del asfalto modificado a o C hasta su utilización en las próximas 16 horas Control de calidad del asfalto modificado Se realizó para cada producción o batch de 7,500 galones mediante los siguientes ensayos de laboratorio al final de cada modificación: 1) Penetración (25 o C, 100 g, 5 sg), 2) Punto de ablandamiento anillo y bola, 3) Punto de inflamación, 4) Ductilidad, 5) Recuperación elástica por torsión a 25 o C, 6) Espuma, 7) Estabilidad al almacenamiento (no exigido si el almacenamiento esta provisto de un sistema de homogenización adecuado, 8) Residuo después del efecto de calor y aire NOTAS: 1.- No fue necesario efectuar el ensayo de estabilidad al almacenamiento, toda vez que el asfalto modificado producido se utilizaba dentro de las 16 horas de culminada su fabricación, además que los tanques de almacenamiento contaban con agitadores que lo mantenían en continuo movimiento. 2.- El ensayo de residuo después del efecto de calor y aire se realizó en dos oportunidades a lo largo de la obra, es decir cada 380,000 galones de asfalto modificado fabricado.

35 33 En la siguiente tabla se indica el promedio de cada parámetro ensayado en las 103 producciones de asfalto modificado realizadas a escala industrial en obra: Tabla Nº ENSAYOS UND NORMA MEDIDO ESPECIFIC. (1) Min. Max. Penetración (25 ºc, 100g, 5s) 0,1 mm MTC E Punto de ablandamiento ºC MTC E Punto de inflamación ºC MTC E Peso específico, 25 C/25 C gr/cc MTC E Estabilidad de almacenamiento(*) Diferencia punto de ablandamiento ºC MTC E Diferencia de penetración mm MTC E Viscosidad a 170 ºC (1) poise ASTM D Ductilidad a 5 ºC cm MTC E Recuperación elástica torsional % NLT - 329/ Espuma Visual -- NO NO NO RESIDUO DESPUES DEL EFECTO DE CALOR Y AIRE Penetración (25 ºc, 100g, 5s) % Pen. Or. MTC E Variación del peso % Resid Ductilidad a 5 ºC (5cm/min) cm MTC E Variación punto de ablandamiento C MTC E 307 ` (1) Promedio de ensayos a 103 batch de asfalto modificado fabricado en obra (7,500 galones cada batch).. La penetración promedio del asfalto modificado es de 60 x 0.1 mm, mientras que en el asfalto base PEN 85/100 es de 91 x 0.1 mm, lo que indica que la adición de polímeros incrementa la dureza del asfalto base. El punto de ablandamiento promedio del asfalto modificado es de 70 o C, mientras que el del asfalto convencional PEN de Talara de 50 o C, es decir es mayor en 40%; lo que indica que una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímeros SBS tendrá un comportamiento mas rígido y por ende mejor en el rango de o C que es el que alcanzará el pavimento durante las horas pico de servicio. En consecuencia con el asfalto modificado con polímeros SBS se tendrá una mayor resistencia a las deformaciones permanentes o ahuellamiento. La recuperación elástica torsional promedio del asfalto modificado es de 80%, mientras que la del asfalto convencional PEN de Talara de 8-

36 13%, lo que indica que la elasticidad del asfalto modificado es aproximadamente 800% mayor que la del asfalto convencional y en consecuencia tendrá un mejor comportamiento a la fatiga. 34

37 35 RESUMEN DE ENSAYOS ASFALTO MODIFICADO CON POLIMRO SBS TIPO DE POLIMERO: LINEAR ASFALTO BASE : PEN 85/100 MARCA DE POLIMERO: LG-501 PROCEDENCIA: REFINERIA TALARA PROVEEDOR: QUIMICA SUIZA BATCH N o FECHA PENTRACION STANDARD ASTM D 5 PUNTO DE ABLANDAMIENTO ASTM D36 RECUPERACION ELASTICA POR TORSION NLT-329/91 DUCTILIDAD ASTM D 113 PUNTO DE INFLAMACION CLEVELAND ASTM D 92 VISCOSIDAD BROOKFIELD ASTM D 4402 VARIACION DE PESO RESIDUO DESPUES DEL EFECTO DE CALOR Y AIRE MTC E 316 PENETRAC PUNTO ABLANDAM. 1 21/10/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /01/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /11/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /01/ DUCTILIDAD

38 56 04/01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /01/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /03/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ /04/ SUMA 6,226 7,237 8,254 6,352 35, MAXIMO MINIMO VARIANZA PROMEDIO DESVIACION ESTANDAR

39 Ensayos de laboratorio realizados y su normatividad a) Penetración a 25 o C (MTC E 304, ASTM D5, AASHTO T49) Se utiliza para medir la consistencia del asfalto para su clasificación en los grados normalizados. Se calienta en un baño de agua a temperatura controlada hasta 25ºC (77ºF), un recipiente con cemento asfáltico. Luego se apoya una aguja normalizada, de 100 g de peso sobre la superficie del cemento asfáltico durante 5 segundos medidos con cronometro. La medida de la penetración es la longitud que penetró la aguja en el cemento asfáltico en unidades de 0,1 mm. Gráfico Nº ENSAYO DE PENETRACION b) Punto de ablandamiento-anillo y bola (MTC E , ASTM D 36, y AASHTO T 53) Indica la tendencia a fluir que tiene la mezcla asfáltica cuando es sometida a temperaturas elevadas durante su vida en servicio. En consecuencia está relacionada con su tendencia al ahuellamiento. El punto de ablandamiento del asfalto se utiliza también para establecer la uniformidad de los embarques o almacenamientos. Gráfico Nº Gráfico Nº ESPECIMENES EN ANILLOS DE BRONCE BOLAS CUBIERTAS DE ASFALTO TOCAN FONDO

40 38 c) Punto de inflamación (MTC E303, ASTM D92, AASHTO T48) Indica la temperatura a la que puede calentarse de manera segura un asfalto, sin que se produzca la inflamación instantánea de los vapores liberados en presencia de una llama libre. Esta temperatura es bastante menor que aquella a la que el asfalto entra en combustión permanente, denominada punto de combustión (fire point). Este ensayo sirve como prueba de seguridad en las operaciones de plantas asfálticas en caliente. El ensayo más usado para medir el punto de inflamación de un cemento asfáltico es el "vaso abierto Cleveland", que consiste en llenar un vaso de bronce con un determinado volumen de asfalto y calentarlo con un aumento de temperatura normalizado, pasando una pequeña llama sobre la superficie del asfalto a intervalos de tiempo establecidos. El punto de inflamación es la temperatura a la cual se han desprendido suficientes volátiles como para provocar una inflamación instantánea. Gráfico Nº ENSAYO DE PUNTO DE INFLAMACION d) Estabilidad al almacenamiento de asfaltos modificados (MTC E , NLT 328/91) Este ensayo es aplicable únicamente a asfaltos modificados con polímeros y su realización toma 6 días: 1 para la preparación y 5 para el ensayo.. Solo en casos de almacenamiento a altas temperaturas se puede producir en el asfalto modificado fenómenos de sedimentación o cremado, concentrándose los polímeros en la parte superior o inferior del tanque en función a sus densidades respectivas, enriqueciendo con polímeros el asfalto en estos sectores. No existe riesgo de inestabilidad cuando el asfalto modificado se almacena a temperatura ambiente. La estabilidad al almacenamiento se mide mediante ensayos de penetración y punto de ablandamiento, como la diferencia entre de las sub muestras

41 39 superior e inferior del almacenamiento, en el entendido que estos dos ensayos permiten mostrar la posible alteración de la homogeneidad de la muestra. Gráfico Nº ENSAYO DE ESTABILIDAD AL ALMACENAMIENTO e) Ductilidad (MTC E 306, ASTM D 113, AASHTO T51) Mide el alargamiento que presenta el asfalto sin romperse. Se somete una probeta de cemento asfáltico a un ensayo de tracción en condiciones normalizadas de velocidad (5cm por minuto) y temperatura (generalmente 25ºC), siendo la ductilidad la distancia máxima en centimetros que se estira la probeta hasta el instante que se rompa el hilo de asfalto que une ambos extremos de la muestra. Generalmente se considera más significativo la presencia o ausencia de ductilidad que su magnitud o grado real. La ductilidad se usa también como indicador de la edad del asfalto, puesto que si la muestra se rompe a valores menores que los característicos, nos indica que se trata de un asfalto envejecido, que ha perdido sus propiedades y en consecuencia pueden producirse grietas en la carpeta (cemento asfáltico crakeado). Gráfico Nº Gráfico Nº ESPECIMEN EN PROCESO DE ESTIRAMIENTO ESTIRAMIENTO MAXIMO

42 40 f) Recuperación Elástica Torsional a 25 o C (NLT-329/91) Sirve para determinar el grado de elasticidad que presentan los asfaltos modificados con polímeros, toda vez que su incorporación proporciona al asfalto una elasticidad mayor que la que presenta sin polímeros. Gráfico Nº PREPARACION DE LA MUESTRA GIRANDO DISPOSITIVO DE TORSION EN SENTIDO HORARIO A 180 o C g) Efecto de calor y aire en película delgada rotativa (RTFO) - (MTC E , ASTM D2872 Y AASHTO T240) Mas que un ensayo se trata de un procedimiento de laboratorio destinado a simular las condiciones de envejecimiento del asfalto en un pavimento real. Se somete una muestra a condiciones de endurecimiento por oxidación similares a aquellas que ocurren durante las operaciones de mezclado en caliente y colocación (envejecimiento a corto plazo). Esta tendencia al endurecimiento se mide mediante ensayos comparativos de penetración realizados antes y después del tratamiento en el horno o mediante ensayos comparativos de viscosidad si se desea. También pueden efectuarse medidas comparativas de la ductilidad, punto de ablandamiento y pérdida de peso. Si la temperatura de mezclado difiere apreciablemente de los 150 o C a que se realiza el ensayo, se presentara sobre las propiedades del asfalto un efecto mayor o menor. Gráfico Nº Gráfico Nº MUESTRAS EN RECIPIENTES DE VIDRIO MUESTAS DESPUES DEL ENSAYO

43 41 Capitulo 4 Diseño de la mezcla asfáltica en caliente 4.1. Temperaturas de mezclado y compactación El comportamiento reológico de un asfalto convencional y otro modificado con polímeros SBS, es diferente. Las temperaturas óptimas de mezclado y compactación del asfalto modificado con polímeros SBS fabricado en obra, se determinaron para efectos de su utilización en el diseño de mezclas en laboratorio, de manera inicial utilizando el mismo criterio aplicado para asfaltos convencionales: temperaturas correspondientes a las viscosidades de y Pa s, respectivamente. Los valores asi obtenidos resultaron claramente más altos que los necesarios: Temperatura de Mezclado = 183 o C Temperatura de Compactación = 167 o C

44 42 Tabla Nº Temperatura ( C) vs Viscosidad (Poise) Viscosidad Brookfield (Poise) Temperatura C A modo de comprobación, estas temperaturas se determinaron mediante el criterio propuesto por H. Bahia para asfaltos modificados: utilizar las correspondientes a viscosidades de 0.75 y 1.4 Pa.s respectivamente. Los valores obtenidos son menores que los anteriores en aprox. 30 o C: Temperatura de Mezclado = 147 o C Temperatura de Compactación = 137 o C Tabla Nº Temperatura ( C) vs Viscosidad (Poise) Viscosidad Brookfield (Poise) Temperatura C

45 43 Estas ultimas temperaturas resultan aparentemente mejores que las primeras por ser mas bajas y reducirse el riesgo degradación del polímero por sobre calentamiento. Sin embargo se encuentran muy por debajo de los valores comúnmente utilizados en experiencias satisfactorias de nuestro asesor, quien recomendó realizar el diseño de mezclas de laboratorio con las temperaturas optimas: Temperatura de Mezclado = 165 o C Temperatura de Compactación = 155 o C Estas temperaturas utilizadas para diseños de mezcla en laboratorio, se ajustaron en un tramo de prueba a los siguientes valores, para su utilización en la preparación y colocación de mezcla asfáltica a escala industrial: : Temperatura de Mezclado = 175 o C Temperatura de Compactación = 160 o C 4.2. Diseño de la mezcla asfáltica en caliente Se utilizó el método Marshall para el diseño en laboratorio de la mezcla asfáltica con asfalto modificado con polímeros SBS y su control en campo. Se seleccionó la faja granulométrica del Huso 2 de las Especificaciones Técnicas del proyecto, con un agregado de tamaño máximo nominal de ½, por ser la que mejor se ajustaba en lo económico a nuestra propuesta: requiere solo de 10 a 40% de piedra chancada. Ver numeral 2.2, literal c) anterior: Tabla Nº Granulometria Empleada TAMIZ ESPECIFICACION HUSO 2 GRANULOMETRI A PROCESADA EN CANTERA 1/2" /8" No No No No No No